電動(dòng)汽車電池箱到底是如何設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部構(gòu)造要還有優(yōu)化空間嗎？

電動(dòng)汽車電池箱到底是如何設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部構(gòu)造要還有優(yōu)化空間嗎？

文 | 法老

編輯 | 法老

電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的唯一能量來源，它的性能對(duì)電動(dòng)汽車的安全性、可靠性等有著:至關(guān)重要的影響。

電池箱是電池系統(tǒng)的重要組件，在保護(hù)電池方面有著不可替代的作用，同時(shí)電池箱對(duì)整車通過性和穩(wěn)定性也有一定影響。

傳統(tǒng)的試制方法盡管可靠性強(qiáng)，但是存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、安全余量過大等問題；

隨著有限元技術(shù)的成熟和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元分析在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

那么，電池箱到底是如何設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部構(gòu)造要還有優(yōu)化空間嗎？我們?nèi)绾胃倪M(jìn)才能為后續(xù)的輕量化設(shè)計(jì)提供優(yōu)化基礎(chǔ)？

一、電池箱布置方案

電池系統(tǒng)具有很大質(zhì)量，它在整車中的位置，直接影響汽車的安全性和操縱穩(wěn)定性。

一般情況下，電池箱的空間大小和布置位置都是根據(jù)整車的空間設(shè)計(jì)決定的。因此在電動(dòng)汽車開發(fā)時(shí)，就應(yīng)該考慮合理的布置方案。

電池箱的布置因素主要包括：整車的軸荷分配、整車的最小離地間隙、電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)形式、整車空間、電池系統(tǒng)的冷卻方式等。

現(xiàn)在的純電動(dòng)汽車中有一部分是在傳統(tǒng)汽車的平臺(tái)上開發(fā)的，所以電動(dòng)汽車的電池布置形式各種各樣，表3.1總結(jié)了電池箱不同布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

除了集中式的電池布置形式，還有分散式的布置形式。

這主要是因?yàn)檐囕v空間的制約，在保證續(xù)航里程的條件下，不得不在多處采用不規(guī)則形狀布置電池。如圖3.1所示的大眾eGolf采用“土”字型的電池組布置形式。

如圖3 .2所示的雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)采用“T&39;，字型的電池組布置形式。

盡管電池箱的形狀多種多樣，布置位置也不盡相同，但是將電池箱布置在地板下比其他位置有更突出的優(yōu)點(diǎn)。

從后期維護(hù)和車輛穩(wěn)定性的角度出發(fā)，電池箱不應(yīng)有過于復(fù)雜的形狀，以近似矩形為最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

二、原電池箱性能分析（一）仿真工況確定

電池箱作為電動(dòng)汽車能量系統(tǒng)的主要部件，它的性能對(duì)電池系統(tǒng)的安全性和整車的穩(wěn)定性有著重要影響。

正確的仿真工況是評(píng)價(jià)電池箱性能好壞的前提，本文綜合國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電池箱的研究現(xiàn)狀和電池箱實(shí)際的工作載荷，確定出以下五種典型工況：

（1）顛簸路面轉(zhuǎn)彎

汽車行駛在不平整路面轉(zhuǎn)彎，是典型的常見工況。在該工況下電池箱不應(yīng)該發(fā)生較大變形，以免電池在電池箱內(nèi)竄動(dòng)。

同時(shí)，若電池箱發(fā)生較大位移，電池箱內(nèi)的線束以及其他附件也會(huì)受到擠壓，這對(duì)汽車能量系統(tǒng)的安全性是不利的。

（2）顛簸路面制動(dòng)

與顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況類似，顛簸路面制動(dòng)也是常見工況。

（3）模態(tài)分析

汽車在工作狀態(tài)下，由于風(fēng)載和路面激勵(lì)的存在，汽車一直處于振動(dòng)狀態(tài)。

電池箱的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證其低階模態(tài)高于汽車的激勵(lì)頻率，從而避免電池箱在外界激勵(lì)作用下發(fā)生共振。

電池箱的共振會(huì)影響電池的安全性，也會(huì)大大降低電池箱的使用壽命，對(duì)整車舒適性也存在負(fù)面影響。

（4）隨機(jī)振動(dòng)分析

結(jié)構(gòu)在不確定的連續(xù)載荷激勵(lì)作用下，其振動(dòng)規(guī)律是無法用確定的函數(shù)來描述的，只能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)。

以概率來描述，這種振動(dòng)稱為隨機(jī)振動(dòng)〔汽車行駛在凹凸不平的路面上，近似于隨機(jī)振動(dòng)，所以有必要對(duì)電池箱進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。

（5）擠壓分析

汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池箱會(huì)受到嚴(yán)重?cái)D壓。如果電池箱剛度不足，就會(huì)發(fā)生較大變形，從而擠壓電池。

電池發(fā)生較大變形時(shí)，有可能導(dǎo)致電池燃燒；同時(shí)電池箱被嚴(yán)重?cái)D壓時(shí)、會(huì)發(fā)生破裂，電池的化學(xué)液體有可能進(jìn)入乘員艙，危害人體安全。

（二）原電池箱在各種工況下的仿真分析

（1）顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況

汽車正常行駛的工況十分復(fù)雜，為了能夠清晰的描述電池箱的基本性能，通常確定幾種典型工況進(jìn)行分析。

顛簸路面轉(zhuǎn)彎行駛是典型工況之一，電池模組在慣性力的作用下，會(huì)給電池箱傳遞較大的載荷，本文中轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的加速度為0.8g，顛簸產(chǎn)生的加速度為2g。

原電池箱是通過吊耳與車架相連接的，所以在仿真中，需要約束吊耳螺栓孔周圍節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

為了模擬電池模組慣性力的作用，給予電池模組所有單元節(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的載荷。

顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況下，原電池箱的位移云圖如圖3.5所示，最大位移為1.76mm，發(fā)生在電池箱的底部中心位置。

一般情況下，當(dāng)取顛簸路面產(chǎn)生的加速度為2g時(shí)，最大位移不超過2mm，所以位移滿足要求。

應(yīng)力云圖如圖3.6所示，最大應(yīng)力為22.34MPa，發(fā)生在電池箱的底部邊緣位置，應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，材料利用率不高。

（2）顛簸路面制動(dòng)工況

顛簸路面制動(dòng)工況的仿真過程與顛簸路面轉(zhuǎn)彎工況類似。

顛簸產(chǎn)生的加速度為2g，制動(dòng)產(chǎn)生的加速度為1g，約束吊耳螺栓孔相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)自由度，加速度產(chǎn)生的作用力施加在電池模組的單元節(jié)點(diǎn)上。

顛簸路面制動(dòng)工況下，原電池箱的位移云圖如圖3.7所示，最大位移為1.61mm，發(fā)生在電池箱底部中心位置。

制動(dòng)工況下的最大位移與轉(zhuǎn)彎工況要求相同，所以位移滿足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)力云圖如圖3.8所示，最大應(yīng)力為22.1MPa，發(fā)生在電池箱的底部邊緣位置，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，安全裕度過大。

（3）模態(tài)分析

模態(tài)分析在機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過模態(tài)分析可以得到構(gòu)件的固有振型以及各階頻率。

一般情況下，模態(tài)存在自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種形式，自由模態(tài)能夠反映構(gòu)件的整體振動(dòng)特性，約束模態(tài)更與實(shí)際貼合。

為了更客觀的反映電池箱在實(shí)際中的振動(dòng)特J性，本文所研究的模態(tài)均為約束模態(tài)。

因?yàn)樵姵叵涫峭ㄟ^吊耳上的螺栓孔和車架相連接的，所以在計(jì)算電池箱的約束模態(tài)時(shí)，需要約束吊耳螺栓孔節(jié)點(diǎn)的自由度。

電池箱的前六階模態(tài)頻率如表3.4所示，模態(tài)振型如圖3.9一3.14所示。

模態(tài)分析的目的就是為了避免低階頻率與激勵(lì)頻率重合，從而改善構(gòu)件的振動(dòng)特性。

工程中一般采用提高低階頻率的方法來避免共振，電池箱如果在工作狀態(tài)中發(fā)生共振。

電池壽命、結(jié)構(gòu)疲勞、整車舒適性等都會(huì)受到嚴(yán)重影響。

電動(dòng)汽車的主要激勵(lì)源是電機(jī)的振動(dòng)和路面的顛簸，電機(jī)的振動(dòng)頻率一般不超過25Hz；路面的激勵(lì)頻率與路面不平度和車速有關(guān)。

波長(zhǎng)的關(guān)系為：

其中，Y為汽車的行駛速度，L為路面的波長(zhǎng)，f為激勵(lì)頻率。我國(guó)各種路面不平度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表3.5所示。

電動(dòng)汽車主要行駛在路況良好的道路上，即平坦路面，取行駛車速為1 OOkm/h，平坦

路面的波長(zhǎng)為1.0m，根據(jù)式（3.1）得到路面激勵(lì)頻率為：

根據(jù)以上分析可知，路面的激振頻率在30Hz以下，所以，為了避免汽車電池箱在汽車行駛時(shí)發(fā)生劇烈振動(dòng)，要求電池箱的一階頻率高于30Hz。

文中的電池箱第一階模態(tài)頻率為20.67Hz，小于30Hz，所以需要提高電池箱的模態(tài)頻率來改善結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。

（4）隨機(jī)振動(dòng)分析

由于路面高低的不確定性，電動(dòng)汽車在行駛過程中受到的路面激勵(lì)也是不確定的，所以無法用確定的函數(shù)來描述載荷，只能在統(tǒng)計(jì)意義上研究。

隨機(jī)振動(dòng)分析從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，是研究結(jié)構(gòu)在不確定載荷下振動(dòng)特性的有效方法。

通過隨機(jī)振動(dòng)分析可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，所以對(duì)電池箱進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析是十分重要和必要的。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 31467.32015中的相關(guān)規(guī)定，需要對(duì)電池箱的三個(gè)方向進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試。

各個(gè)方向的功率譜密度曲線如圖3.15所示，如果電池箱安裝在乘員艙下部，測(cè)試參數(shù)按照表3.6、表3.7、表3.9進(jìn)行。

如果電池箱安裝在其他位置，測(cè)試參數(shù)則按照表3.6、表3.8、表3.9進(jìn)行。

本文所研究的電池箱安裝在乘員艙下部，所以測(cè)試參數(shù)按照表3.6、表3.7、表3.9進(jìn)行。

根據(jù)電池箱在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上的固定方式，利用RBE2單元將吊耳螺栓孔節(jié)點(diǎn)相連，這樣就可以直接在RBE2單元的中心節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行加載，同時(shí)也有利于后處理結(jié)果的查看。

隨機(jī)振動(dòng)仿真建模借助Optistruct軟件中的Random PSD Frequency Response向?qū)瓿桑捎媚B(tài)疊加法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)求解。

為了驗(yàn)證仿真的正確性，可以對(duì)比加載節(jié)點(diǎn)的載荷功率譜曲線與響應(yīng)功率譜曲線是否一致，因此，本文列出了X， Y， Z向加載點(diǎn)的響應(yīng)曲線。

分別如圖3.16、圖3.18、圖3.20所示，圖中激勵(lì)點(diǎn)的響應(yīng)曲線與加載曲線完全一致，說明隨機(jī)振動(dòng)仿真分析是正確的。

X， Y， Z三向的1二應(yīng)力云圖分別如圖3.17、圖3.19，圖3.21所示。X向最大1二應(yīng)力為10.7MPa，發(fā)生在吊耳螺栓孔處，對(duì)應(yīng)的3二應(yīng)力為32.1MPa；。

Y向最大1二應(yīng)力為19.7MPa，也發(fā)生在吊耳螺栓孔處，對(duì)應(yīng)的3二應(yīng)力為59.1MPa； Z向最大1二應(yīng)力為75.9MPa，發(fā)生在下箱體邊緣位置。

對(duì)應(yīng)的3二應(yīng)力為227.7Mpao X， Y， Z三向最大3二應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力，說明電池箱在X， Y， Z三向的隨機(jī)振動(dòng)載荷下，均能滿足安全性要求。

（5）擠壓分析

汽車行駛過程中難免發(fā)生事故，在發(fā)生劇烈碰撞時(shí)，電池箱會(huì)受到嚴(yán)重?cái)D壓。

如果電池箱沒有一定的防撞能力，電池會(huì)受到過度入侵，輕則電池系統(tǒng)破壞，重則電池破裂、化學(xué)物質(zhì)泄漏、傷害乘員。

所以電池箱的防撞性能對(duì)能量系統(tǒng)來說相當(dāng)重要。

國(guó)標(biāo)GB/T 31467.32015中說明了電池系統(tǒng)的碰撞、擠壓測(cè)試方法，但是所述的測(cè)試方法主要關(guān)注的是電池的安全性，沒有評(píng)估電池箱結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)內(nèi)容。

因此，本文參照國(guó)標(biāo)的測(cè)試方法以及與主機(jī)廠進(jìn)行商討，提出了新的擠壓分析工況和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（6）橫向擠壓

施加在電池箱左右側(cè)面的擠壓力為15kN，電池箱在變形后不應(yīng)該侵入電池，且箱體不發(fā)生破裂。

（7）縱向擠壓

施加在電池箱前后側(cè)面的擠壓力為15kN，電池箱在變形后不應(yīng)該侵入電池，且箱體不發(fā)生破裂。

按照本文所提出的測(cè)試方法對(duì)原電池箱進(jìn)行橫向擠壓和縱向擠壓仿真，載荷以均布力的方式施加在對(duì)應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)上。

橫向擠壓工況下的位移云圖如圖3 .22所示，最大位移23.76mm，出現(xiàn)在上箱體的中心位置，下箱體側(cè)面最大位移為Smm。

上箱體與電池之間的距離為3 Omm，與車身之間的距離為20mm。

下箱體左右側(cè)壁與電池之間的距離為20mm，所以在橫向擠壓工況下，原電池箱的變形對(duì)電池沒有侵入，但上箱體變形量過大。

橫向擠壓工況下的應(yīng)力云圖如圖3.23所示，最大應(yīng)力為352.6MPa，發(fā)生在上下箱體的連接位置，小于材料的強(qiáng)度極限，可認(rèn)為原電池箱不發(fā)生破裂。

縱向擠壓工況下的位移云圖如圖3 .24所示，上箱體的最大位移為10.39mm，下箱體側(cè)面最大位移為6mm。

下箱體前后側(cè)壁與電池之間的距離為3 Omm，所以在縱向擠壓工況下，原電池箱的變形對(duì)電池也沒有發(fā)生侵入。

橫向擠壓工況下的應(yīng)力云圖如圖3.25所示，最大應(yīng)力為242.2MPa，出現(xiàn)在下箱體的擠壓位置，小于材料的強(qiáng)度極限，可認(rèn)為原電池箱在縱向擠壓工況下不發(fā)生破裂。

雖然橫向擠壓和縱向擠壓均滿足設(shè)計(jì)要求，但是橫向擠壓工況下最大應(yīng)力過大，存在連接位置材料破損的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要優(yōu)化擠壓工況下的應(yīng)力分布。

三、總結(jié)

本文首先介紹了電池箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述，接著對(duì)某車型的電池箱進(jìn)行測(cè)量，獲取相關(guān)參數(shù)，并在CATIA軟件中建立了原電池箱的幾何模型。

在Hypermesh軟件中建立原電池箱的有限元建模，然后，根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)電池箱的研究現(xiàn)狀，確定了仿真工況，并提出新的擠壓仿真工況和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

通過對(duì)原電池箱進(jìn)行仿真得到各工況下的性能響應(yīng)，并對(duì)各工況下的性能做出評(píng)價(jià)。本章的仿真工況和分析結(jié)果為后續(xù)電池箱優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

（1）吳瓊.碳纖維轎車保險(xiǎn)杠橫梁的設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2014.

（2）薛姣.碳纖維復(fù)合材料汽車B柱簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[D].中北大學(xué)，2013

（3）吳方賀.碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].吉林大學(xué)，2017.

（4）潘玲玲.碳纖維復(fù)合材料典型車身覆蓋件設(shè)計(jì)開發(fā)與試制[D].同濟(jì)大學(xué)，2006.